안녕하세요. KIST 전북분원의 손동익입니다. 기존의 카드뮴 계 양자점은 매우 우수한 광특성으로 발광소자의 활성층으로 각광받아왔습니다. 하지만 인체에 대한 독성 문제로 인해 친환경 양자점에 대한 연구가 활발하게 이루어지고 있는 가운데 본 연구팀은 산화아연양자점과 플러렌(C70)을 기반으로 하며 접착물질 없이 단순한 화학적 상호작용으로 친환경 이종접합 양자점을 제작하게 되었습니다.

통상적인 이종접합 나노복합체의 경우 안정적인 결합을 유도하기 위해 접착제 물질(바인더)를 사용해야 합니다. 하지만 본연구팀은 접착물질을 제외하여 순수 산화아연과 플러렌 간의 화학적 결합을 유도해 입자를 합성했으며 이러한 접합을 통해 기존에는 관찰할 수 없는 새로운 발광이 가능한 광특성을 발견했죠.
친환경 디스플레이 소재로써 디스플레이 산업 전반적인 분야에 적용이 가능하고, 소재 자체가 낮은 효율을 갖기 때문에 성능향상을 위한 후속 연구가 추가적으로 진행되어야 한다고 봅니다.

세계 처음으로 합성한 산화아연-풀러렌(C70) 양자점 소재를 발광소자(LEDs)에 적용하기 위해서는 소재의 물성 분석이 필수적으로 수반됩니다. 하이브리드 장비(FE-SEM+SKPM+Raman)는 non-stop으로 다기능의 측정, 분석이 가능하기 때문에, 전기적, 광학적, 구조적 특성분석을 동시에 진행하기에 알맞아 활용하게 되었습니다. Hybrid FE-SEM 현미경을 이용하여 소재 분석에 대한 정확성을 확보하고 체계적 분석 시스템을 구축할 수 있었던 거죠.

Hybrid FE-SEM 현미경은 SEM, Raman, AFM, CL로 구성되어 있는데, 이번 연구에서는 SEM, Raman, AFM이 주로 활용되었습니다. SEM으로 위치를 정확하게 확인하고 Raman과 AFM 측정을 시행하기 때문에 어떤 부분에서 어떤 특성이 나오는지 정확하게 파악할 수 있었으며, AFM 측정 중에서도 일함수 측정을 위해 SKPM을 사용함으로써 SEM 이미지, 토폴로지, 일함수분포를 같은 위치에서 측정할 수 있었습니다.

이를 통해 소재의 물성 분석을 원활하게 그리고 정확하게 측정해 내는 것이 가능하였습니다.

본연구의 연구기간은 4년이 넘게 진행된 연구 결과입니다. 새로운 합성 소재이기 때문에 물성 분석에 대한 신뢰성 있는 분석 연구가 절실하였는데, 세부적인 분석보다 소자 적용을 먼저 하는 실험을 하였고, 다색 발광(파란색, 녹색)하는 새로운 발광소자(LEDs) 발견하게 되었습니다. 이 소자는 산화아연 양자점은 자외선 영역의 발광 특성을 가지고, 플러렌(c70)은 빨간색 또는 적외선영역에서 발광 물성을 가지는 특성을 가지고 있죠.

본 연구에서는 신기하게도 전압 변화에 따라 파란색에서 녹색으로 변화하면서 전체적으로 백색 발광하는 재미있는 현상이 발견됩니다. 왜 이러한 현상이 발생하는지 메커니즘을 분석하기 위해서 세부적인 측정을 주로 하이브리드 장비를 기반해서 얻은 실험결과를 모델링값과의 비교를 통하여 현상을 밝히는데 연구 기간의 반을 할애하였고, 중간에 연구가 중단되기도 하였으나, 끈기 있게 매진한 결과 만족할 만한 결과를 낸 것이 기억이 남네요.

새로운 현상을 발견하는 것도 중요하지만 왜 이러한 현상이 발생하는지에 대한 메커니즘을 찾는 것도 매우 중요합니다. 이를 위해서는 실험을 하며 메커니즘을 연구하고 이것이 합리적인지를 증명할 수 있는 데이터를 얻어야 합니다. 저희는 과학적으로 타당성 있는 데이터와 메커니즘에 대한 논쟁을 오랜 기간 나눴습니다. 회의 때마다 새로운 의견과 반박이 끊이질 않았고 이러한 끊임 없는 논쟁이 있었기 때문에 좋은 연구 결과와 논문이 탄생했다고 생각합니다.  

탄소원자 개수가 증가한 C70 이상의 물질을 사용한다면 빨간색 발광이 가능한 양자점 소자가 제작이 가능할 것으로 생각되며, 이를 구현한다면 빛의 삼원색(파란색, 녹색, 빨간색)으로 인해서 완전한 차세대 백색 양자점 발광소자 기술 발전에 기여할 수 있을 것입니다. 하이브리드 장비를 최대한 잘 활용하여 과학기술 분야에 도움이 되는 새로운 분석 방법을 연구하고 싶습니다. 감사합니다.